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嘉峪檢測網 2024-12-13 17:54
金屬構件在高溫使用過程中有可能同時受到蠕變損傷和疲勞損傷。這兩種損傷的交互作用可以使材料的蠕變性能和疲勞性能急劇惡化。在航空、核電等機械工程領域，這種蠕變-疲勞交互作用廣泛存在，有必要對其交互作用進行研究。國內企業、高校和科研院所對蠕變-疲勞交互作用進行了大量試驗，因此有必要制定國家層面的標準，為這些試驗提供指導和參考。
中國科學院上海應用物理研究所依托中國科學院戰略先導專項未來先進裂變能——釷基熔鹽堆核能系統，開展了大量鎳基合金蠕變-疲勞試驗，積累了豐富的經驗。在對國內外標準進行廣泛調研的基礎上，向全國鋼標準化技術委員會（鋼標委）力學分委會提出制定《金屬材料 蠕變-疲勞試驗方法》國家標準的建議。該建議很快獲得了鋼標委的支持，并上報國家標準化管理委員會（國標委）。國標委同意了該標準制定的立項。
立項后，中國科學院上海應用物理研究所作為主持單位，聯合華東理工大學、中國科學院金屬研究所、上海發電成套設計研究院有限責任公司、冶金工業信息標準研究院、上海海關工業品與原材料檢測技術中心、上海交通大學、上海航空材料結構檢測股份有限公司共同組成項目起草小組，標準經起草、征求意見、開展比對試驗、送審、報批等環節，最終于2020年6月由國標委發布，2020年12月實施。
1、蠕變-疲勞試驗的應用背景
陳立佳等在816，927℃下進行總應變控制的不同拉伸應變保持時間的低周疲勞試驗，研究了3種高溫合金（HAYNES 188，HAYNES 230和HASTELLOY X）的蠕變-疲勞交互作用行為，得出在存在蠕變的情況下，這3種高溫合金的應變疲勞壽命均出現縮短現象。何明輝等利用高頻感應加熱的方法對DD6單晶合金的高溫蠕變/疲勞損傷性能進行試驗研究，發現DD6單晶合金的高溫蠕變/疲勞性能存在明顯的方向性，同時在高溫條件下，蠕變損傷對試件破壞起重要作用，蠕變與疲勞的交互作用會大大縮短材料的循環壽命。毛雪平等則對30Cr1Mo1V鋼轉子蠕變-疲勞交互作用下的應力松弛現象及應變-壽命規律進行了研究。大量的研究表明，蠕變對材料的疲勞壽命有巨大影響。
在美國機械工程師協會編制的《核設施設計建造規則 高溫力學分卷》中，給出了304和316不銹鋼、800H鋼、9Cr1MoV鋼的評定蠕變-疲勞損傷的包絡線。蠕變-疲勞交互作用使得304和316不銹鋼的許用疲勞壽命較不存在蠕變的情況縮短達到70%，而鎳基合金800H鋼在存在蠕變的情況下，其許用疲勞壽命縮短了80%。開展蠕變-疲勞試驗是獲得蠕變-疲勞包絡線的必要手段。
2、不同標準體系概況
目前，國際、國內專門針對金屬材料蠕變-疲勞試驗的標準有兩個，一個是美國試驗與材料協會制定的ASTM E2714-13《蠕變疲勞試驗的標準試驗方法》，另一個就是我國制定的國家標準GB/T 38822—2020《金屬材料 蠕變-疲勞試驗方法》。
2.1 美國標準
標準ASTM E2714-13由美國材料與試驗協會組織編寫和制定。該協會總結了歐美國家蠕變-疲勞試驗的經驗，并組織了數次研討會。美國材料與試驗協會于2009年和2010年先后發布了兩個版本的蠕變-疲勞試驗標準：第一個版本為ASTM E2714-09，涉及表征蠕變-疲勞裂紋形成的測試方法特性；而第二個版本ASTM E 2714-10則涵蓋了蠕變疲勞裂紋生長特性。2010年11月，美國材料與試驗協會組織了專門針對蠕變-疲勞試驗的國際研討會。該研討會也是國際斷裂大會（ICF）的討論會，討論了蠕變疲勞裂紋形成領域的最新研究、高溫材料和結構中的裂紋擴展。研討會發布了技術專刊（STP）。在總結研討會技術成果以及ASTM E 2714-09、ASTM E 2714-10應用實踐的基礎上，制定了ASTM E2714-13，該標準由引言、參考文件、術語和定義、應用及意義、方程關系、設備、試驗試樣、試驗程序、試驗記錄、試驗報告、結果及偏差等部分組成。
2.2 中國標準
標準GB/T 38822—2020由中國標準化管理委員會發布，由全國鋼標準化委員會歸口，中國科學院上海應用物理研究所牽頭起草。GB/T 38822—2020包括引言、范圍、規范性引用文件、術語和定義、符號和說明、試驗原理、設備、試樣、試驗程序、試驗報告和參考性附錄等部分。與美國標準相比，中國標準對試樣的加工過程進行了詳細的規定，因為試樣加工過程對試樣表面的粗糙度和殘余應力都有影響。同時，將試樣加工精度與試樣直徑相關聯，使同軸度與GB/T 2039—2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變試驗方法》的規定一致。
3、GB/T 38822— 2020的主要技術要點
3.1術語和符號
針對蠕變-疲勞試驗的特點，定義了以下術語。
（1）保載時間。蠕變-疲勞試驗中，試驗控制變量（應力、應變）在一個循環中保持不變的時間為保載時間。保載時間通常位于拉伸和（或）壓縮的應力或應變峰值處，但也可位于循環內的其他位置。
（2）循環周期。完成一個試驗循環的時間為循環周期。參數τt可分為保載（τh）和非保載（τnh）（即穩態和動態）分量，其中總周期時間是保載時間和非保載時間之和。
（3）裂紋形成。當裂紋在試樣中萌生并擴展時，裂紋已經形成。
（4）應力范圍。最大應力與最小應力之間的差值為應力范圍。對于蠕變-疲勞試驗，最大和最小應力之間的差值稱為“峰值應力范圍”。對于應變控制下的蠕變-疲勞試驗，保載時間前后應力下降的范圍稱為“松弛應力范圍”。
（5）非彈性應變范圍。在循環期間的塑性應變范圍和保載時間內，蠕變應變范圍的總和為非彈性應變范圍，其指的是在拉伸和壓縮卸載過程中，應變軸交叉點與滯后回線的外推線性區域在應變軸上的距離。
3.2 試驗原理
為幫助標準的使用者理解和正確運用本標準的試驗結果，編寫了試驗原理。蠕變-疲勞試驗一般在高溫下進行，此時材料本身往往同時存在蠕變損傷和疲勞損傷。對于大部分材料來說，氧化會對裂紋的萌生和擴展產生影響。為了獲得蠕變導致疲勞性能下降的數據以及疲勞導致持久壽命縮短的數據，建議開展相應的疲勞試驗和蠕變試驗。附錄1 給出了常用的描述蠕變-疲勞數據的經驗公式。
3.3試驗設備
試驗設備是保證試驗數據的準確性和可靠性的重要保障。標準對試驗設備的類型、功能和精度以及部分使用方法進行了規定。主要包括以下內容：① 試驗機應滿足GB/T 16825.1—2022《金屬材料 靜力單軸試驗機的檢驗與校準 第1 部分：拉力和（或）壓力試驗機 測力系統的檢驗與校準》的要求。試驗機能夠平穩啟動，且保證過零點時不發生回彈。試驗機必須具有足夠的側向剛度，確保在壓縮期間能保持精確對中。試驗機的控制精度應在其控制變量變化區間的1% 以內。②傳感器應依據GB/T 16825.1—2022、GB/T 25917.1—2019《單軸疲勞試驗系統 第1 部分：動態力校準》、GB/T 12160—2019《金屬材料 單軸試驗用引伸計系統的標定》進行驗證，其精度必須優于分度值的1%，并且能夠進行溫度補償，靈敏度變化不超過滿量程的0.002%。③夾具應具有足夠好的對中性，并應進行同軸度核查；對夾持試樣的方式進行了規定。④ 引伸計應適用于長期測量動態位移，并且最大程度降低信號漂移、滑移和機械滯后。應根據GB/T 12160—2019進行校準，且其精度應在1級或更高精度等級。除特殊情況外，應盡量采用軸向引伸計。⑤加熱系統可選用的加熱方式包括電阻爐加熱、輻射加熱、感應加熱以及惰性氣體或液體加熱。⑥建議采用熱電偶直接測量標距段的溫度。⑦循環計數器應能記錄至少10萬個周期的試驗。⑧數據記錄儀應能同時收集并處理作為時間和周期函數的力、位移和溫度的數據。⑨加載系統應進行同軸度校準，試驗溫度也應進行校準。
3.4試樣
試樣的形狀尺寸和精度對蠕變-疲勞試驗結果的準確性至關重要，因此對試樣的幾何尺寸進行了統一規定（見圖1）。這些規定可以對不同實驗室、不同試驗批次之間的結果數據進行比較。對于等截面圓柱試樣，其標距段直徑應不小于5mm，標距段長度應大于1.5倍標距段直徑，過渡圓弧半徑以及夾持端直徑應大于兩倍試樣的直徑。進行以上規定的目的在于符合試樣在過渡圓弧處以及夾持端失效的可能性，標準建議了標距段的長度范圍，這樣能有效減小試樣斷裂于引伸計跨距外的概率，減小失穩的概率，對試樣同軸度、平行度以及垂直度的規定可以減小試驗數據的分散性，提高試驗方法的精度，同時也使加工精度與試樣尺寸相匹配；對于其他形狀試樣的規定能滿足特殊試驗的要求，因為在一些情況下，需要測試高應變范圍條件下的蠕變-疲勞性能，這時采用圓柱試樣容易失穩。
對試樣的加工方法進行了規定，給試樣打上特定的標識，將數據與試樣相對應，以便之后的進一步分析。試樣表面粗糙度規定應小于0.2，且不應存在垂直加載軸的加工痕跡（可利用光學顯微鏡20 倍觀察），以減小試樣由于較差表面質量導致裂紋形成的可能性。
3.5試驗步驟
對試驗步驟進行了詳細的規定，不同操作人員以及不同實驗室遵循相同的試驗步驟，可降低試驗結果的不確定度，提高準確性。
（1）規定試樣的安裝，不可影響組件的對中性以及試樣的表面狀況。
（2）對引伸計的安裝進行規定，以避免打滑以及影響試樣的表面質量。
（3）規定了可選用的循環波形，以供不同的客戶依據自身需求進行選擇。
（4）規定了測量彈性模量、熱膨脹的方法，這是開展蠕變-疲勞試驗所必需的數據。
（5）規定了引伸計標距進行修正的方法，這有助于提高試驗的精度和準確性。
（6）規定了試樣的加熱方法，以確保試樣各部分均達到指定溫度。
（7）規定了試驗加載的方式，以便不同的試驗數據之間能夠進行比較。
（8）重點規定了對溫度的控制，因為溫度會對試驗結果產生巨大影響。
3.6試驗報告
列出了完整的試驗報告所能提供的信息，這些信息有一部分是必需的，這些內容是完整描述一個蠕變-疲勞試驗所需要的內容，包括試驗的條件、試驗的重要結果，以及試驗過程中偏離標準的變量；另一部分內容則可視為非必需的，可以根據客戶的需求列進試驗報告中。以上兩部分內容都在標準中進行了規定。
4、試驗驗證
為了檢驗GB/T 38822—2020試驗標準的可行性，獲得結果的穩定性和準確性，依據試驗標準草案，開展了316H不銹鋼蠕變-疲勞試驗和Ti6242鈦合金蠕變-疲勞試驗。
4.1316H不銹鋼蠕變-疲勞試驗
試驗選用316H不銹鋼作為試驗材料，316H不銹鋼為高碳合金鋼，其常用于高溫力學結構。按圖2進行試樣加工，圖3為316H不銹鋼蠕變-疲勞試樣外觀。試驗采用應變控制，應變范圍為1.0%，應變速率為0.001s−1，試驗溫度為500℃。試驗過程完全按照GB/T 38822—2020標準進行。試驗過程中沒有發生偏離方法的情況。試驗結束后盡快停止加熱，以避免斷口過度氧化。蠕變-疲勞試驗結束后的316H不銹鋼試樣外觀如圖4所示。316H不銹鋼的蠕變-疲勞試驗結果如表1所示。
試驗結論：試驗完整執行GB/T 38822—2020標準草案的規定程序和各項指標，離散系數較小，試驗結果穩定可靠。
4.2 Ti6242鈦合金蠕變-疲勞試驗
試驗過程完全按照GB/T 38822—2020標準進行，試驗過程中沒有發生偏離方法的情況。試驗結束后盡快停止加熱，以避免斷口過度氧化。試驗結束后的Ti6242 試樣外觀如圖5所示。主要試驗結果如表2所示。
試驗結論：試驗完整執行GB/T 38822—2020標準草案的規定程序和各項指標，離散系數較小，試驗結果穩定可靠。
5、 結論
GB/T 38822—2020標準中試驗方法可行，技術指標合理，試驗結果準確可靠。該標準的實施將為核電、航空等領域的金屬材料蠕變-疲勞試驗提供指導，提高試驗結果的可靠性和穩定性。該方法的實施將提高相關工業領域機械構件的安全性，避免重復試驗，提高社會效益。
作者：周伯謀，陸燕玲
單位：中國科學院上海應用物理研究所
來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第10期
來源：理化檢驗物理分冊
